1 项目概况

1.1 建筑概况及形体评价

　　 深圳冠泽金融中心位于深圳前海深港现代服务业合作区,是由2栋公寓(公寓北塔、公寓南塔)、1栋酒店、2栋超高层办公楼(办公A塔、办公B塔)组成的城市综合体,建筑效果图见图1,本文主要介绍办公A塔。办公A塔地上建筑面积约为15万m²,建筑屋面高281.2m,建筑层数61层,其首层～3层为通高大堂,层高为17.7m;4～13层为商业,层高4.5m;7,9,13层为下层商业上空,层高9m;13层以上楼层均为办公,层高均为4.5m;11,22,33,44,53层为避难层,层高均为5m;设4层地下室,埋深为-22.70m。塔楼建筑平面尺寸51.8m×51.8m,随高度逐步收进为50.5m×50.5m;其典型结构平面布置图见图2。目前,本项目主体结构已验收。

　　 图1 项目建筑效果图   

　　  

　　 图2 典型结构平面布置图   

　　  

　　 项目建筑形体评价为:1)平面规则。结构长宽比=1<6,高宽比=5.83<7,满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(DBJ 15-92—2013) ^[1]第12.1.3条及3.4.3条要求。2)立面规则。造型上塔楼转角向上收进以增强挺拔的建筑高度感,体型上削角处理能有效钝化建筑角部,有效降低风荷载作用尤其是风荷载下的横向风振效应。

1.2 结构设计等级

　　 塔楼结构设计使用年限及耐久性使用年限均为50年,安全等级为二级,基础设计等级为甲级。地面粗糙度类别为B类,抗震设防烈度为7度(0.10g),重点设防类,场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为第一组 ^[2,3]。

2 结构设计难点及对应措施

2.1 结构设计难点

(1)难点一:

　　 平面采用8个框柱的稀柱柱网,并集中设置于建筑物角部,边框柱柱距由38.8m随高度收至28.8m,角框柱柱距由8.2m随高度扩大至14.4m,框柱柱距大,框架对抗侧、抗扭刚度贡献小,结构抗侧、抗扭刚度弱。

(2)难点二:

　　 8个框柱选用五边形异形柱,目前软件对此类异形柱计算模拟有限,承载力缺乏设计依据。

(3)难点三:

　　 框梁跨度大,其线刚度较框柱线刚度小,框柱缺少有效约束,其计算长度需准确定义。

(4)难点四:

　　 为满足建筑造型要求,8个框柱在4层上下存在错位,需采用搭接转换柱组进行过渡 ^[4],如图3所示。

(5)难点五:

　　 1～3层核心筒外均无楼板,总高度为17.7m;建筑8,10,13,59层核心筒外均无楼板,结构层高为9m;存在侧向刚度不规则、楼层承载力突变。

(6)难点六:

　　 核心筒尺寸低区(1～37层)X向28.1m,Y向23.1m;中区(38～45层)X向28.1m,Y向19.7m;高区(46～57层)X向28.1m,Y向16.4m;两向收进差异性明显。

　　 图3 搭接转换柱组节点   

　　  

　　 图4 结构抗侧力体系  

　　  

2.2 结构设计对应措施

2.2.1 选用合理的结构体系

(1)抗侧力体系

　　 根据建筑物的功能、总高度、抗震设防烈度、建筑物类别、深圳地区风荷载、施工周期及外框抗侧、抗扭刚度弱的情况,采用带腰桁架的巨柱框架核心筒结构体系,见图4,该体系介于框架-核心筒结构与巨型框架-核心筒结构体系之间,结构的主要抗侧力由核心筒提供,利用建筑的避难层设置5道适宜刚度的腰桁架,既可加强外框巨柱间联系,提高外框抗侧、抗扭整体刚度,也可避免设置伸臂桁架带来侧向刚度突变大的弊端 ^[5,6]。

　　 主楼的高宽比为5.83,核心筒高宽比为11.29。核心筒墙厚、异形型钢混凝土巨柱截面尺寸、材质见表1;框梁采用钢框梁,截面尺寸、材质见表2;腰桁架采用钢桁架,截面尺寸、材质见表3;33层及以下设置重力柱ZLZ(见图2,截面□500×350×35×35,材质Q420GJC)。

　　 竖向构件尺寸、材质 表1

竖向构件	截面尺寸/mm	材质
核心筒墙	外墙厚1 300/1 200～400; 内墙厚600/500～300/200	C60 Q345B
异形巨柱	2 500×2 300×1 900×2 051×1 202～ 1 247×1 400×1 350×917×1 063	C60 Q390C/Q390GJC

 

　　  

　　 钢框梁截面尺寸、材质 表2

钢框梁	截面尺寸/mm	材质
GKL1	H700×300×20×14(33层及以下) □700×1 100×20×14(34层以上)	Q345B/Q420GJC
GKL2	H700×400×28×14(33层及以下) H400×1 100×28×22(34层～53层) □700×1 100×50×25(54层及以上)	Q345B/Q420GJC

 

　　 注:GKL1梁端局部楼板加厚。

　　  

　　 钢桁架构件截面、材质 表3

框梁	截面/mm	材质
上、下弦杆	□600×700×30×30(除53层外) □700×1 100×50×25(53层)	Q420GJC
腹杆	□600×600×40×40(11,22层) □600×500×40×40(33层) □600×1 000×40×70(33层角部) □600×400×40×40(44层) □600×800×40×60(44层角部) □700×500×50×50(53层)	Q420GJC

 

　　 注:上、下弦杆,腹杆截面均在异形巨柱连接段进行放大,相应楼板加厚。

　　  

(2)楼盖体系

　　 标准层采用钢梁+钢筋桁架楼承板组合楼盖,板厚110mm;加强层上下层楼板,需协调核心筒、外腰桁架巨柱框架间的水平剪力,根据应力水平设置钢梁+钢水平撑+钢筋桁架楼承板组合楼盖,钢水平撑截面H520×250×22×22(Q345B),板厚180mm,配筋14@100双层双向布置。

2.2.2 选用合理的计算手段

　　 (1)针对结构设计难点二,采用文献[7]中建议,选用截面分析软件Xtract对异形巨柱按弯曲刚度等效为内嵌十字形型钢的型钢混凝土方柱建立模型,进行分析;在承载力设计时,项目采用文献[7]建议:选用软件Xtract进行抗弯承载力设计;采用修正《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016) ^[8]公式(6.2.16-2)中h₀,A_sv,h_w进行抗剪承载力设计。

　　 (2)结构设计难点三,充分考虑柱长对承载力的影响。采用软件SAP2000对异形巨柱分区段进行屈曲分析,根据欧拉公式P_cr=π^₂EI/(μL)²反算出异形巨柱计算长度系数,见表4。

　　 异形巨柱计算长度系数 表4

区段	区段高度/m	计算高度/m	计算长度系数
1区(1～3层)	17.7	12.98	0.73
2区(4～11层)	27.3	18.06	0.66
3区(12～22层)	45	24.72	0.55
4区(23～33层)	45	21.72	0.48
5区(34～44层)	45	15.60	0.35
6区(45～53层)	36	13.15	0.37
7区(54层及以上)	36	12.53	0.35

 

　　  

　　 (3)针对结构设计难点四,采用文献[4]提出的搭接转换柱组概念,采用软件ABAQUS对节点进行详细分析,并提出在4～5层设置适宜刚度腰桁架、与核心筒拉结的型钢梁有利措施。

2.2.3 采取有效构造措施

　　 针对结构设计难点五、难点六,采取如下构造加强措施:1)抗震等级均选用特一级,核心筒剪力墙、异形巨柱均按特一级构造措施进行构造加强;2)核心筒剪力墙设置约束边缘构件,边缘构件内设置型钢柱以提高墙肢的抗弯、抗剪承载力与延性;3)加强层核心筒剪力墙设置约束型构造钢梁,与剪力墙边缘构件内型钢柱形成墙内约束型钢边框,有效提高加强层核心筒墙肢的延性与整体性;4)异形巨柱箍筋全高加密,轴压比较规范规定限值降低0.05。

3 结构性能评估

3.1 弹性分析结果

3.1.1 整体分析主要结果

　　 选用YJK和ETBAS两种软件进行风荷载与地震作用反应谱弹性计算,两者的计算结果吻合较好。从主要整体分析主要结果(表5)可知:除剪重比、加强层及上下层侧刚比、承载力比外,其余参数均满足规范限值要求,剪重比根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[3]第5.2.5条予以放大调整满足;加强层及上下层侧刚比、承载力比则通过三水准验算复核性能目标C能否实现。

3.1.2 外框与核心筒间的剪力分配

　　 从地震作用下外框、核心筒的剪力分配(图5)可知:对于非加强层,地震剪力主要由核心筒承担,外框刚度弱,占比小;在加强层及上下层附近剪力存在突变,剪力由带腰桁架的外框与核心筒共同承担。基于此,结构设计时,除加强层外,核心筒均承担100%的地震剪力,外框按刚度分配地震剪力的3倍进行放大调整。

　　 图7 地面粗糙度   

　　  

　　 整体分析主要结果 表5

项目		YJK	ETABS	误差
周期/s	T1 T2 T3	6.79(Y向平动) 5.89(X向平动) 4.37(扭转)	6.93(Y向平动) 6.04(X向平动) 4.67(扭转)	2.02% 2.48% 6.42%
周期比		0.64	0.67	4.48%
质量/t		247 364	247 532	0.07%
基底剪力/kN	X向 Y向	27 964 25 289	28 030 25 770	0.24% 1.87%
剪重比	X向 Y向	1.130% 1.022%	1.155% 1.062%	2.16% 3.77%
刚重比	X向 Y向	2.115 1.627	— —	— —
扭转位移比 (楼层)	X向 Y向	1.26(1层) 1.13(1层)	1.26(1层) 1.13(1层)	接近 接近
侧刚比 (楼层)	X向 Y向	1.10(31层) 1.01(51层)	1.01(20层) 1.03(31层)	8.91% 1.94%
承载力比 (楼层)	X向 Y向	0.86(12层) 0.88(51层)	— —	— —
多遇地震作用 下最大层间 位移角(楼层)	X向 Y向	1/828(49层) 1/660(48层)	1/895(49层) 1/725(48层)	8.10% 9.85%
轴压比	核心筒	0.59(考虑型钢)	—	—
	外框柱	0.49(考虑型钢)	—	—

 

　　 注:1)侧刚比、承载力比均未计入加强层及上下楼层;2)误差=(YJK计算结果-ETABS计算结果)/ETABS计算结果。

　　  

　　 图5 地震作用下外框、核心筒剪力分配   

　　  

3.1.3 风洞试验与层间位移角、顶点加速度

(1)风洞试验

　　 风洞试验结果参照广东省建筑科学研究院集团股份有限公司提供的《深圳前海T201-0077地块项目风洞动态测压试验报告》、《深圳前海T201-0077地块风致结构响应分析报告》、《深圳前海T201-0077地块项目风洞风环境试验报告》。报告中对于风洞风向角示意的描述见图6,图7中粗糙度根据远场地面粗糙度分析结果,地面粗糙度试验时0°～210°按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012) ^[2]中规定的C类地面粗糙度,220°～300°采用A类地面粗糙度,310°～350°采用B类地面粗糙度。

　　 图6 风洞试验风向角   

　　  

(2)层间位移角、顶点加速度

　　 在50年一遇的风洞试验荷载作用下,办公A塔X向最大层间位移角为1/683,Y向最大层间位移角为1/495,基本满足小于规范限值1/500要求。在10年一遇的风荷载作用下,结构X向顶点加速度峰值为0.160m/s²,Y向顶点加速度峰值为0.202m/s²,满足小于规范限值0.25m/s²要求。

3.1.4 构件弹性计算结果

　　 在小震弹性、中震等效弹性计算作用下,考虑内置型钢的承载力,构件均可满足中、小震性能目标C的要求。

3.2 弹塑性时程分析结果

　　 采用软件ABAQUS对结构进行罕遇地震作用下的时程分析,从整体性能与构件性能两个层面上评估其抗震性能 ^[9,10]。时程分析波选用广东省工程防震研究院提供的两条拟合天然波(MLD^α01B,MLD^α01F波),以及一条人工波(MH^α01A波)。

3.2.1 整体性能评估

　　 从整体分析主要结果(表6)可知:罕遇地震作用下,结构X向基底剪力为小震下的4.8～5.5倍,Y向基底剪力为小震下的4.9～5.4倍;最大弹塑性层间位移角X向为1/194,Y向为1/132,均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(DBJ 15-92—2013) ^[1]C类性能目标限值1/125的要求,能够实现“大震不倒”的性能目标。

3.2.2 构件性能结果

　　 经比较,MH^α01A波作用下Y向为地震主输入方向时,构件损伤最为严重,下文仅列出Y向为地震主输入方向下的计算结果。

　　 整体分析主要结果 表6

项目		MLDα01B波	MLDα01F波	MHa01A波
基底 剪力/kN	X向 Y向	148 800 125 400	144 700 127 600	134 000 135 400
剪重比	X向 Y向	5.93% 5.00%	5.77% 5.09%	5.34% 5.40%
最大顶点 位移/m	X向 Y向	0.897 1.010	1.063 1.182	0.949 1.039
最大层间 位移角	X向 Y向	1/209 1/132	1/194 1/147	1/200 1/167

 

　　  

　　 图8 剪力墙受压损伤和墙身、边缘构件内纵筋塑性应变   

　　  

(1)核心筒剪力墙受压损伤、纵筋塑性损伤

　　 从剪力墙受压损伤,墙身、边缘构件内纵筋塑性应变(图8)可知:核心筒墙体混凝土受压损伤主要发生在连梁、加强层、筒体收进的局部位置以及内筒Y向墙肢的局部位置,外筒墙肢总体受压损伤比较小,基本实现了以连梁构件进行耗能、主体墙肢在大震下能够持续承受竖向荷载的设计目标;内置型钢以及边缘构件内纵筋均未出现塑性变形,型钢+钢筋能抵抗大震下的拉力,第一道抗震防线基本可靠。

(2)巨柱型钢、外框钢梁及腰桁架塑性损伤

　　 型钢混凝土异形巨型柱受压损伤主要出现在底层柱搭接转换处、各加强层附近以及高区核心筒收进楼层,属轻度损坏;从巨柱型钢、外钢框梁、腰桁架塑性应变(图9)可知:巨柱内型钢都未出现塑性变形;腰桁架的弦杆与腹杆均未出现塑性变形,能有效约束异形巨柱变形,发挥第二道抗震防线作用。

　　 图9 巨柱型钢、外钢框梁、腰桁架塑性应变  

　　  

(3)加强层楼板受压损伤

　　 从以Y向为主方向的MH^α01A波作用下加强层楼板受压损伤云图(图10)可知:平面角部、核心筒内的楼板受压损伤程度情况相对较轻,而核心筒与巨柱之间的楼板需传递剪力,受压损伤较为明显,但也属于轻、中度损伤,表明设置水平桁架对楼盖系统的剪力传递、楼板混凝土受压损伤抑制均发挥了显著作用。

　　 图10 加强层楼板受压损伤云图  

　　  

4 结论

　　 (1)带适宜刚度腰桁架的巨柱框架-核心筒结构体系可实现8个框柱的稀柱网建筑形体;钢梁+钢水平撑+钢筋桁架楼承板组合楼盖能可靠传递加强层外框架与核心筒间的水平剪力。

　　 (2)设置约束型构造钢梁,与墙肢内型钢柱形成墙内约束型钢边框,可有效提高加强层核心筒墙肢的延性与整体性。

　　 (3)建议带腰桁架的巨柱框架-核心筒结构体系的核心筒承担100%地震剪力,以提高第一道防线抗震承载力。